基于低温共烧陶瓷的无线无源传感器设计*

杨明亮, 谭秋林, 熊继军, 康 昊, 李 晨

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051； 2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

目前，物理参数的无线测量在医学、自动化、航空航天等许多领域有广泛应用，如对于生物体内器官和血管状态的实时监测和运动物体内部的遥测等[1]，就是采用无线测量实现的。无线无源传感器没有电源直接供电，它是靠电磁波的能量供给传感器工作。目前虽然有各种类型的压力传感器，但大多都是基于有线有源的压力传感器[2]，它们既需要物理连接的信号传输系统，又需要电源供应，这就限制了传感器在许多需要进行无线测试场合的应用，同时，这些传感器也不能应用在高温环境[3]。所以，设计和研究一种能在高温和恶劣环境应用的无线无源压力传感器是很有必要的。

本文研究了基于低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)材料的LC谐振无线无源压力传感器，设计了平面螺旋电感器和平行板电容器，制备了基于LTCC材料的压力传感器，进行测试，研究了无线无源传感器的特性。该传感器是电容式压力传感器，它具有可动极板的电容器作为压力敏感元件，将外部压力转换为电容值的变化。

1 传感器的设计

传感器的的谐振原理是基于一种无源LC谐振电路。传感器的谐振频率可以表示为

(1)

式中Ls和Cs分别为传感器的电感和电容。由公式可以看出，电感或者电容发生变化，LC谐振回路的谐振频率fH都将改变。本次设计传感器，利用外界压力变化改变电容大小，使得传感器频率发生变化。因此，通过检测LC回路的谐振频率的变化就可以获得外界压力的大小。

图1为传感器模型截面图。整个传感器由4层LTCC瓷片组成，第一层和第四层印刷有图2所示的图案，电感器为平面螺旋电感器，电容器为正方形极板的平行板电容器，电感器和电容器的设计尺寸分别由表1和表2给出。第一层和第四层的金属图案通过通孔连接，形成一个LC回路。由于LTCC生瓷片在烧结时会软化，所以，烧结之前要用一定的材料将电容器空腔填充，填充的材料在烧结过程中会气化，然后由空气通道排出。传感器烧结好以后，选用与陶瓷材料匹配的玻璃粉将空气通道的出口封住，使的电容器空腔与外界空气形成气压差。第一层和第四层是传感器的压力敏感膜。在受到压力时，电容器空腔产生形变，电容器的板间距发生变化，引起电容大小变化，进而引起频率的变化。

图1 传感器模型截面图

图2 LTCC生瓷片表面金属图案

表1 电感器设计的几何参数

2 传感器的制备

LTCC 技术是在 800～950 ℃的温度下，将印刷有导电金属图形与具有互连通孔的多层陶瓷生片，在实现精确对位后叠在一起，最后共烧结成为一块整体多层互连结构[4,5]。传感器的制作工艺流程如下：

表2 电容器设计的几何参数

1)LTCC生瓷片上打孔:调用打孔文件，通过打孔机对LTCC生瓷片进行打孔,形成空腔结构。

2)用金属浆料填充通孔:在填孔机中放置用于填孔的钢片，加入浆料，对LTCC生瓷片进行过孔的填充。过孔填充是为了保证传感器电路的连通。

3)金属导电图案的印刷:将印有金属图形的网版置于丝网印刷机上，加入浆料，对LTCC生瓷片进行电感器与电容器图形的丝网印刷。

4)金属图案的烘干:由于刚刚印刷上金属浆料的LTCC生瓷片由一定的粘性，不利于后续工艺的操作，所以,需要将印刷上金属浆料的LTCC生瓷片先进行烘干。将印刷好后的LTCC生瓷片置于高低温试验箱中100 ℃下20 min，使浆料干结。

5)叠片:按预先设计的层数和次序依次将LTCC生瓷片叠放于叠片机，进行叠片，叠片温度40 ℃，在叠片的过程中，需要用碳膜对电容器空腔进行填充。

本研究中所得数据采用SPSS 19.0统计学软件进行分析，计量数据采用t检验，计数数据采用x2检验，当P＜0.05表示差异有统计学意义。

6)层压:本次层压采用的是温水等静压。将叠片完成后的结构真空封装于2个平整的钢片之间，将真空封装的叠片置于层压机中，15 MPa压力下等静压20 min。

7)切片:此工艺是将多层生瓷胚体切成更小的部件或要求形状。

8)烧结:将切片好的传感器放置于烧结炉中，按照提前设定好的温度变化曲线烧结。

9)封口:第5步中由于用碳膜填充了空腔，留下了空气通道，所以，要用玻璃浆料将其填充，填充好之后放在烧结炉中进行烧结，使玻璃浆料融化，将空气通道的出口部分完全堵住。

图3为基于LTCC的无线无源压力传感器实物照片。

图3 基于LTCC的无线无源压力传感器实物照片

3 传感器等效电路

传感器的等效LC电路如图4所示。其设计主要考虑平面螺旋电感器的设计和平板电容器的设计，平面螺旋电感器的设计和平行板电容器的设计[6]，可以采用以下公式得到

(1)

(2)

其中，μ=4π×10-7为真空磁导率，n为平面螺旋电感器的圈数，dn为第n圈电感器线圈的直径，dn=(d1+d2+…+dn)/n，ρs=(dout-din)/(dout+din)，εr为LTCC生瓷片的相对介电常数，ε0为真空绝对介电常数,dout为平面螺旋电感器的外圆的直径，din为平面螺旋电感器的内圆的直径，ac为电容器极板的边长，a为电容器空腔的边长，tg为电容器空腔的高度，tm电容器空腔压力敏感膜的厚度。基于上述原理，本文设计了谐振频率约为18.5 MHz的基于LTCC的无线无源高温压力传感器，设计平面电感Ls为7.39 μH，平面电容Cs为10.02 pF。基片材料LTCC生瓷片选用DupontTM951PT，其介电常数为7.8，印刷电感器和电容器图案的金属浆料选用的是与生瓷片相匹配的DupontTM6142D Ag。

图4 传感器等效电路

4 传感器与天线耦合的等效电路

为了实现无线检测LC回路的谐振频率，通常采用电感线圈耦合的方式[7],即由天线的电感产生交变磁场，当天线靠近LC回路时，则会将交变磁场的能量通过LC回路中的电感线圈耦合到振荡回路中，由于天线和LC回路电感线圈的耦合，使得天线上有一个明显的电压降，这个压降点就是谐振频率点。天线和LC谐振传感器是无线接触，能量是通过天线耦合到传感器谐振回路，从而实现了无线无源检测。

传感器与天线的耦合等效电路如图5所示。图5中，La为天线电感，Ra为天线的等效电阻，Ls,Cs分别为传感器的平面螺旋电感和平行板电容，Rs为传感器电阻，Lm为天线和传感器线圈的互感系数。

图5 传感器与天线耦合的等效电路

当只有天线时，其两端的阻抗为

Z(s)=jωLa+Ra.

(3)

当LC谐振传感器在天线检测范围内时，天线两端的阻抗可以表示为

(4)

天线的电阻值Ra一般较小，从式(1)可见，其阻抗随频率近似线性变化。但是当天线靠近传感器时，由于线圈之间的相互耦合，从式(2)可得到其阻抗大小在传感器的谐振频率附近呈先增大后减小再增大的趋势，而阻抗相位呈现先降低再增加的趋势，具体波形如图6所示。因此，通过测试天线两端的阻抗大小及其相位变化，可以获得传感器的谐振频率。

图6 天线与传感器谐振实测波形图

5 传感器的测试与分析

测试时，利用一个耦合线圈读出电路(天线)在传感器附近进行扫频测量，当测量信号频率与传感器固有频率耦合时发生共振导致输入阻抗发生明显变化，从而推算其传感器压力相关的固有频率。根据力敏结构的压力—位移—电容—固有频率传输函数，可以计算出压力的大小。测试系统示意图如图7所示。

为了测试不同压力下传感器的谐振频率变化，搭建了了如图7所示的测试系统平台。测试系统平台由四部分组成：Agilent E4991A阻抗分析仪1台，Druck Pace5000模块化压力控制器1台，氮气罐1个，压力罐1个。

图7 传感器测试系统示意图

测试流程：氮气罐提供测试的气流，气压控制设备会将氮气罐输送过来的氮气进行气压大小的调节，然后将大小可控的氮气输送至装有传感器和测试电路的压力罐，使气压罐产生一定数值的气压，从而进行测量。电路输出信号通过接插件由气压罐引出至阻抗分析仪，阻抗分析仪可以显示出谐振频率f。

此次测试，通过压力控制器往压力罐中一共输入2个大气压，共采集到35个数据点。数据线性拟合结果如图8。

图8 传感器压力—频率关系图形

当天线与传感器接近发生耦合时，由图6可以看出：在18.209 2 MHz附近，阻抗值发生了突变，阻抗相位出现下降峰，这表明LC谐振传感器的谐振频率为18.209 2 MHz，这与设计频率18.5 MHz有所差距，其原因是由于制作传感器的工艺误差，使得压力传感器的输出频率与设计的有所不同。

6 结 论

本研究对基于LTCC的无线无源LC谐振应变传感器的压力传感特性进行了理论与实验研究，设计和制备了谐振频率约18.209 MHz的传感器，测试结果表明:传感器的谐振频率随外加压力的增加而减小，外界大气压力变化时，其谐振频率变化灵敏度331.70 kHz/bar。本文所研究的基于LTCC的无线无源压力传感器由于实现了无源和无线，可望应用于非接触压力测试等领域。

参考文献:

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